JP2020155441A - Magnetic storage device - Google Patents
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Abstract
Description
実施形態は、磁気記憶装置に関する。 The embodiment relates to a magnetic storage device.
磁気抵抗効果素子を記憶素子として用いた磁気記憶装置(MRAM:Magnetoresistive Random Access Memory)が知られている。 A magnetic storage device (MRAM: Magnetoresistive Random Access Memory) using a magnetoresistive element as a storage element is known.
データの誤書込みを抑制する。 Suppress erroneous writing of data.
実施形態の磁気記憶装置は、直列に接続された磁気抵抗効果素子及びスイッチング素子を含むメモリセルを備える。上記磁気抵抗効果素子は、上記メモリセル内に第1方向に電流を流す第1書込み動作に応じて第1抵抗状態から上記第1抵抗状態より低い第2抵抗状態となり、上記メモリセル内に上記第1方向と反対の第2方向に電流を流す第2書込み動作に応じて上記第2抵抗状態から上記第1抵抗状態となるように構成される。上記スイッチング素子は、上記第1方向に対応づけられた第1ホールド電圧を有し、上記第2方向に対応づけられて上記第1ホールド電圧より低い第2ホールド電圧を有する。 The magnetic storage device of the embodiment includes a memory cell including a magnetoresistive element and a switching element connected in series. The magnetoresistive sensor changes from the first resistance state to the second resistance state lower than the first resistance state according to the first writing operation in which the current flows in the memory cell in the first direction, and the magnetic resistance effect element changes into the second resistance state in the memory cell. It is configured to change from the second resistance state to the first resistance state according to the second writing operation in which the current flows in the second direction opposite to the first direction. The switching element has a first hold voltage associated with the first direction, and has a second hold voltage associated with the second direction and lower than the first hold voltage.
以下、図面を参照して実施形態について説明する。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する構成要素については、共通する参照符号を付す。また、共通する参照符号を有する複数の構成要素を区別する場合、当該共通する参照符号に添え字を付して区別する。なお、複数の構成要素について特に区別を要さない場合、当該複数の構成要素には、共通する参照符号のみが付され、添え字は付さない。ここで、添え字は、下付き文字や上付き文字に限らず、例えば、参照符号の末尾に添加される小文字のアルファベット、及び配列を意味するインデックス等を含む。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. In the following description, components having the same function and configuration are designated by a common reference code. Further, when distinguishing a plurality of components having a common reference code, a subscript is added to the common reference code to distinguish them. When it is not necessary to distinguish a plurality of components, only a common reference code is attached to the plurality of components, and no subscript is added. Here, the subscript is not limited to the subscript and the superscript, and includes, for example, a lowercase alphabet added to the end of the reference code, an index meaning an array, and the like.
1.第1実施形態
第1実施形態に係る磁気記憶装置について説明する。第1実施形態に係る磁気記憶装置は、例えば、磁気トンネル接合(MTJ:Magnetic Tunnel Junction)によって磁気抵抗効果(Magnetoresistive effect)を有する素子(MTJ素子、又はmagnetoresistive effect elementとも言う。)を抵抗変化素子として用いた、垂直磁化方式による磁気記憶装置である。
1. 1. First Embodiment The magnetic storage device according to the first embodiment will be described. In the magnetic storage device according to the first embodiment, for example, an element having a magnetoresistive effect (MTJ element or also referred to as a magnetoresistive effect element) by a magnetic tunnel junction (MTJ) is a resistance changing element. It is a magnetic storage device by the vertical magnetization method used as.
1.1 構成
まず、第1実施形態に係る磁気記憶装置の構成について説明する。
1.1 Configuration First, the configuration of the magnetic storage device according to the first embodiment will be described.
1.1.1 磁気記憶装置の構成
図1は、第1実施形態に係る磁気記憶装置の構成を示すブロック図である。図1に示すように、磁気記憶装置1は、メモリセルアレイ10、ロウ選択回路11、カラム選択回路12、デコード回路13、書込み回路14、読出し回路15、電圧生成回路16、入出力回路17、及び制御回路18を備えている。
1.1.1 Configuration of Magnetic Storage Device FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a magnetic storage device according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the magnetic storage device 1 includes a memory cell array 10, a row selection circuit 11, a column selection circuit 12, a decoding circuit 13, a write circuit 14, a read circuit 15, a voltage generation circuit 16, an input / output circuit 17, and an input / output circuit 17. A control circuit 18 is provided.
メモリセルアレイ10は、各々が行(row)、及び列(column)の組に対応付けられた複数のメモリセルMCを備えている。具体的には、同一行にあるメモリセルMCは、同一のワード線WLに接続され、同一列にあるメモリセルMCは、同一のビット線BLに接続される。 The memory cell array 10 includes a plurality of memory cell MCs, each of which is associated with a set of rows and columns. Specifically, the memory cells MC in the same row are connected to the same word line WL, and the memory cells MC in the same column are connected to the same bit line BL.
ロウ選択回路11は、ワード線WLを介してメモリセルアレイ10と接続される。ロウ選択回路11には、デコード回路13からのアドレスADDのデコード結果(ロウアドレス)が供給される。ロウ選択回路11は、アドレスADDのデコード結果に基づいた行に対応するワード線WLを選択状態に設定する。以下において、選択状態に設定されたワード線WLは、選択ワード線WLと言う。また、選択ワード線WL以外のワード線WLは、非選択ワード線WLと言う。 The row selection circuit 11 is connected to the memory cell array 10 via the word line WL. The row selection circuit 11 is supplied with the decoding result (low address) of the address ADD from the decoding circuit 13. The row selection circuit 11 sets the word line WL corresponding to the line based on the decoding result of the address ADD in the selected state. In the following, the word line WL set in the selected state is referred to as a selected word line WL. Further, the word line WL other than the selected word line WL is referred to as a non-selected word line WL.
カラム選択回路12は、ビット線BLを介してメモリセルアレイ10と接続される。カラム選択回路12には、デコード回路13からのアドレスADDのデコード結果(カラムアドレス)が供給される。カラム選択回路12は、アドレスADDのデコード結果に基づいた列を選択状態に設定する。以下において、選択状態に設定されたビット線BLは、選択ビット線BLと言う。また、選択ビット線BL以外のビット線BLは、非選択ビット線BLと言う。 The column selection circuit 12 is connected to the memory cell array 10 via the bit line BL. The column selection circuit 12 is supplied with the decoding result (column address) of the address ADD from the decoding circuit 13. The column selection circuit 12 sets the column based on the decoding result of the address ADD in the selected state. In the following, the bit line BL set in the selected state is referred to as a selected bit line BL. The bit line BL other than the selected bit line BL is referred to as a non-selected bit line BL.
デコード回路13は、入出力回路17からのアドレスADDをデコードする。デコード回路13は、アドレスADDのデコード結果を、ロウ選択回路11、及びカラム選択回路12に供給する。アドレスADDは、選択されるカラムアドレス、及びロウアドレスを含む。 The decoding circuit 13 decodes the address ADD from the input / output circuit 17. The decoding circuit 13 supplies the decoding result of the address ADD to the row selection circuit 11 and the column selection circuit 12. Address ADD includes selected column addresses and row addresses.
書込み回路14は、メモリセルMCへのデータの書込みを行う。書込み回路14は、例えば、書込みドライバ(図示せず)を含む。 The writing circuit 14 writes data to the memory cell MC. The write circuit 14 includes, for example, a write driver (not shown).
読出し回路15は、メモリセルMCからのデータの読出しを行う。読出し回路15は、例えば、センスアンプ(図示せず)を含む。 The read circuit 15 reads data from the memory cell MC. The readout circuit 15 includes, for example, a sense amplifier (not shown).
電圧生成回路16は、磁気記憶装置1の外部(図示せず)から提供された電源電圧を用いて、メモリセルアレイ10の各種の動作のための電圧を生成する。例えば、電圧生成回路16は、書込み動作の際に必要な種々の電圧を生成し、書込み回路14に出力する。また、例えば、電圧生成回路16は、読出し動作の際に必要な種々の電圧を生成し、読出し回路15に出力する。 The voltage generation circuit 16 uses a power supply voltage provided from the outside (not shown) of the magnetic storage device 1 to generate voltages for various operations of the memory cell array 10. For example, the voltage generation circuit 16 generates various voltages required for the writing operation and outputs them to the writing circuit 14. Further, for example, the voltage generation circuit 16 generates various voltages required for the read operation and outputs them to the read circuit 15.
入出力回路17は、磁気記憶装置1の外部からのアドレスADDを、デコード回路13に転送する。入出力回路17は、磁気記憶装置1の外部からのコマンドCMDを、制御回路18に転送する。入出力回路17は、種々の制御信号CNTを、磁気記憶装置1の外部と、制御回路18と、の間で送受信する。入出力回路17は、磁気記憶装置1の外部からのデータDATを書込み回路14に転送し、読出し回路15から転送されたデータDATを磁気記憶装置1の外部に出力する。 The input / output circuit 17 transfers the address ADD from the outside of the magnetic storage device 1 to the decoding circuit 13. The input / output circuit 17 transfers the command CMD from the outside of the magnetic storage device 1 to the control circuit 18. The input / output circuit 17 transmits and receives various control signal CNTs between the outside of the magnetic storage device 1 and the control circuit 18. The input / output circuit 17 transfers the data DAT from the outside of the magnetic storage device 1 to the writing circuit 14, and outputs the data DAT transferred from the reading circuit 15 to the outside of the magnetic storage device 1.
制御回路18は、制御信号CNT及びコマンドCMDに基づいて、磁気記憶装置1内のロウ選択回路11、カラム選択回路12、デコード回路13、書込み回路14、読出し回路15、電圧生成回路16、及び入出力回路17の動作を制御する。 The control circuit 18 includes a row selection circuit 11 in the magnetic storage device 1, a column selection circuit 12, a decoding circuit 13, a writing circuit 14, a reading circuit 15, a voltage generation circuit 16, and an input based on the control signal CNT and the command CMD. Controls the operation of the output circuit 17.
1.1.2 メモリセルアレイの構成
次に、第1実施形態に係る磁気記憶装置のメモリセルアレイの構成について図2を用いて説明する。図2は、第1実施形態に係る磁気記憶装置のメモリセルアレイの構成を示す回路図である。図2では、ワード線WLが2つの小文字のアルファベット(“u”及び“d”)と、インデックス(“<>”)と、を含む添え字によって分類されて示されている。
1.1.2 Configuration of memory cell array Next, the configuration of the memory cell array of the magnetic storage device according to the first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration of a memory cell array of the magnetic storage device according to the first embodiment. In FIG. 2, the word line WL is shown classified by a subscript containing two lowercase alphabets (“u” and “d”) and an index (“<>”).
図2に示すように、メモリセルMC(MCu及びMCd)は、メモリセルアレイ10内でマトリクス状に配置され、複数のビット線BL(BL<0>、BL<1>、…、BL<N>))のうちの1本と、複数のワード線WLd(WLd<0>、WLd<1>、…、WLd<M>)及びWLu(WLu<0>、WLu<1>、…、WLu<M>)のうちの1本と、の組に対応付けられる(M及びNは、任意の整数)。すなわち、メモリセルMCd<i、j>(0≦i≦M、0≦j≦N)は、ワード線WLd<i>とビット線BL<j>との間に接続され、メモリセルMCu<i、j>は、ワード線WLu<i>とビット線BL<j>との間に接続される。 As shown in FIG. 2, the memory cells MC (MCu and MCd) are arranged in a matrix in the memory cell array 10, and a plurality of bit lines BL (BL <0>, BL <1>, ..., BL <N> )) And a plurality of word lines WLd (WLd <0>, WLd <1>, ..., WLd <M>) and WLu (WLu <0>, WLu <1>, ..., WLu <M >) Is associated with a pair of and (M and N are arbitrary integers). That is, the memory cells MCd <i, j> (0 ≦ i ≦ M, 0 ≦ j ≦ N) are connected between the word line WLd <i> and the bit line BL <j>, and the memory cells MCu <i <i. , J> are connected between the word line WLu <i> and the bit line BL <j>.
なお、添え字の“d”及び“u”はそれぞれ、複数のメモリセルMCのうちの、(例えば、ビット線BLに対して)下方に設けられたもの、及び上方に設けられたもの、を便宜的に識別するものである。メモリセルアレイ10の立体的な構造の例については、後述する。 The subscripts "d" and "u" refer to a plurality of memory cells MC, one provided below (for example, with respect to the bit line BL) and one provided above. It is for convenience of identification. An example of the three-dimensional structure of the memory cell array 10 will be described later.
メモリセルMCd<i、j>は、直列に接続されたスイッチング素子SELd<i、j>及び磁気抵抗効果素子MTJd<i、j>を含む。メモリセルMCu<i、j>は、直列に接続されたスイッチング素子SELu<i、j>及び磁気抵抗効果素子MTJu<i、j>を含む。 The memory cells MCd <i, j> include switching elements SELd <i, j> and magnetoresistive elements MTJd <i, j> connected in series. The memory cells MCU <i, j> include switching elements SELu <i, j> and magnetoresistive elements MTJu <i, j> connected in series.
スイッチング素子SELは、対応する磁気抵抗効果素子MTJへのデータ書込み及び読出し時において、磁気抵抗効果素子MTJへの電流の供給を制御するセレクタとしての機能を有する。より具体的には、例えば、或るメモリセルMC内のスイッチング素子SELは、当該メモリセルMCに印加される電圧が閾値電圧Vt以下の場合、抵抗値の大きい絶縁体として電流を遮断し(オフ状態となり)、閾値電圧Vtを上回る場合、抵抗値の小さい導電体として電流を流す(オン状態となる)。すなわち、スイッチング素子SELは、流れる電流の方向に依らず、メモリセルMCに印加される電圧の大きさに応じて、電流を流すか遮断するかを切替え可能な機能を有する。 The switching element SEL has a function as a selector that controls the supply of current to the magnetoresistive element MTJ at the time of writing and reading data to the corresponding magnetoresistive element MTJ. More specifically, for example, when the voltage applied to the memory cell MC is equal to or less than the threshold voltage Vt, the switching element SEL in a certain memory cell MC cuts off the current as an insulator having a large resistance value (off). When the threshold voltage Vt is exceeded, a current is passed as a conductor having a small resistance value (the state is turned on). That is, the switching element SEL has a function of switching whether to flow or cut off the current according to the magnitude of the voltage applied to the memory cell MC regardless of the direction of the flowing current.
磁気抵抗効果素子MTJは、スイッチング素子SELによって供給を制御された電流により、抵抗値を低抵抗状態と高抵抗状態とに切替わることができる。磁気抵抗効果素子MTJは、その抵抗状態の変化によってデータを書き込み可能であり、書き込まれたデータを不揮発に保持し、読み出し可能である記憶素子として機能する。 The magnetic resistance effect element MTJ can switch the resistance value between the low resistance state and the high resistance state by the current whose supply is controlled by the switching element SEL. The magnetoresistive effect element MTJ can write data according to the change in its resistance state, holds the written data non-volatile, and functions as a readable storage element.
次に、メモリセルアレイ10の断面構造について図3及び図4を用いて説明する。図3及び図4は、第1実施形態に係る磁気記憶装置のメモリセルアレイの構成を説明するための断面図の一例を示している。図3及び図4はそれぞれ、メモリセルアレイ10を互いに交差する異なる方向から見た断面図である。 Next, the cross-sectional structure of the memory cell array 10 will be described with reference to FIGS. 3 and 4. 3 and 4 show an example of a cross-sectional view for explaining the configuration of the memory cell array of the magnetic storage device according to the first embodiment. 3 and 4 are cross-sectional views of the memory cell array 10 as viewed from different directions intersecting each other.
図3及び図4に示すように、メモリセルアレイ10は、半導体基板20上に設けられている。以下の説明では、半導体基板20の表面と平行な面をXY平面とし、XY平面に垂直な方向をZ方向とする。また、ワード線WLに沿う方向をX方向とし、ビット線BLに沿う方向をY方向とする。すなわち、図3及び図4はそれぞれ、メモリセルアレイ10を、Y方向及びX方向から見た断面図である。 As shown in FIGS. 3 and 4, the memory cell array 10 is provided on the semiconductor substrate 20. In the following description, the plane parallel to the surface of the semiconductor substrate 20 is the XY plane, and the direction perpendicular to the XY plane is the Z direction. Further, the direction along the word line WL is the X direction, and the direction along the bit line BL is the Y direction. That is, FIGS. 3 and 4 are cross-sectional views of the memory cell array 10 as viewed from the Y direction and the X direction, respectively.
半導体基板20上には、例えば、複数の導電体21が設けられる。複数の導電体21は、導電性を有し、ワード線WLdとして機能する。複数の導電体21は、例えば、Y方向に沿って並んで設けられ、各々がX方向に沿って延びる。なお、図3及び図4では、複数の導電体21が半導体基板20上に設けられる場合について説明したが、これに限られない。例えば、複数の導電体21は、半導体基板20に接することなく、上方に離れて設けられてもよい。 For example, a plurality of conductors 21 are provided on the semiconductor substrate 20. The plurality of conductors 21 have conductivity and function as a word line WLd. The plurality of conductors 21 are provided side by side along the Y direction, for example, and each extends along the X direction. Although FIGS. 3 and 4 have described the case where the plurality of conductors 21 are provided on the semiconductor substrate 20, the present invention is not limited to this. For example, the plurality of conductors 21 may be provided apart from each other above without being in contact with the semiconductor substrate 20.
1つの導電体21の上面上には、各々がスイッチング素子SELdとして機能する複数の素子22が設けられる。1つの導電体21の上面上に設けられる複数の素子22は、例えば、X方向に沿って並んで設けられる。すなわち、1つの導電体21の上面には、X方向に沿って並ぶ複数の素子22が共通して接続される。なお、素子22の構成の詳細については、後述する。 A plurality of elements 22, each of which functions as a switching element SELd, are provided on the upper surface of one conductor 21. A plurality of elements 22 provided on the upper surface of one conductor 21 are provided side by side in the X direction, for example. That is, a plurality of elements 22 arranged along the X direction are commonly connected to the upper surface of one conductor 21. The details of the configuration of the element 22 will be described later.
複数の素子22の各々の上面上には、磁気抵抗効果素子MTJdとして機能する素子23が設けられる。複数の素子23の各々の上面は、複数の導電体24のいずれか1つに接続される。複数の導電体24は、導電性を有し、ビット線BLとして機能する。複数の導電体24は、例えば、X方向に沿って並んで設けられ、各々がY方向に沿って延びる。すなわち、1つの導電体24には、Y方向に沿って並ぶ複数の素子23が共通して接続される。なお、図3及び図4では、複数の素子23の各々が素子22上、及び導電体24上に設けられる場合について説明したが、これに限られない。例えば、複数の素子23の各々は、導電性のコンタクトプラグ(図示せず)を介して、素子22、及び導電体24と接続されていてもよい。 An element 23 that functions as a magnetoresistive element MTJd is provided on the upper surface of each of the plurality of elements 22. The upper surface of each of the plurality of elements 23 is connected to any one of the plurality of conductors 24. The plurality of conductors 24 have conductivity and function as bit wires BL. The plurality of conductors 24 are provided side by side along the X direction, for example, and each extends along the Y direction. That is, a plurality of elements 23 arranged in the Y direction are commonly connected to one conductor 24. Although FIGS. 3 and 4 have described the case where each of the plurality of elements 23 is provided on the element 22 and the conductor 24, the present invention is not limited to this. For example, each of the plurality of elements 23 may be connected to the element 22 and the conductor 24 via a conductive contact plug (not shown).
1つの導電体24の上面上には各々がスイッチング素子SELuとして機能する複数の素子25が設けられる。1つの導電体24の上面上に設けられる複数の素子25は、例えば、Y方向に沿って並んで設けられる。すなわち、1つの導電体24の上面には、Y方向に沿って並ぶ複数の素子25が共通して接続される。なお、素子25は、例えば、素子22と同等の構成を有する。 A plurality of elements 25, each of which functions as a switching element SELu, are provided on the upper surface of one conductor 24. A plurality of elements 25 provided on the upper surface of one conductor 24 are provided side by side in the Y direction, for example. That is, a plurality of elements 25 arranged along the Y direction are commonly connected to the upper surface of one conductor 24. The element 25 has, for example, the same configuration as the element 22.
複数の素子25の各々の上面上には、磁気抵抗効果素子MTJuとして機能する素子26が設けられる。複数の素子26の各々の上面は、複数の導電体27のいずれか1つに接続される。複数の導電体27は、導電性を有し、ワード線WLuとして機能する。複数の導電体27は、例えば、Y方向に沿って並んで設けられ、各々がX方向に沿って延びる。すなわち、1つの導電体27には、X方向に沿って並ぶ複数の素子26が共通して接続される。なお、図3及び図4では、複数の素子26の各々が素子25上、及び導電体27上に設けられる場合について説明したが、これに限られない。例えば、複数の素子26の各々は、導電性のコンタクトプラグ(図示せず)を介して、素子25、及び導電体27と接続されていてもよい。 An element 26 that functions as a magnetoresistive element MTJu is provided on the upper surface of each of the plurality of elements 25. The upper surface of each of the plurality of elements 26 is connected to any one of the plurality of conductors 27. The plurality of conductors 27 have conductivity and function as a word line WLu. The plurality of conductors 27 are provided side by side along the Y direction, for example, and each extends along the X direction. That is, a plurality of elements 26 arranged in the X direction are commonly connected to one conductor 27. Although FIGS. 3 and 4 have described the case where each of the plurality of elements 26 is provided on the element 25 and the conductor 27, the present invention is not limited to this. For example, each of the plurality of elements 26 may be connected to the element 25 and the conductor 27 via a conductive contact plug (not shown).
以上のように構成されることにより、メモリセルアレイ10は、1本のビット線BLに対して、2本のワード線WLd及びWLuの組が対応する構造となる。そして、メモリセルアレイ10は、ワード線WLdとビット線BLとの間にメモリセルMCdが設けられ、ビット線BLとワード線WLuとの間にメモリセルMCuが設けられ、Z方向の異なる高さの位置に設けられた複数の層がメモリセルアレイ10として機能するような構造を有する。図3及び図4において示された当該構造においては、メモリセルMCdが下層に対応付けられ、メモリセルMCuが上層に対応付けられる。すなわち、1つのビット線BLに共通に接続される2つのメモリセルMCのうち、ビット線BLの上層に設けられるメモリセルMCは添え字“u”が付されたメモリセルMCuに対応し、下層に設けられるメモリセルMCは添え字“d”が付されたメモリセルMCdに対応する。 With the above configuration, the memory cell array 10 has a structure in which a pair of two word lines WLd and WLu corresponds to one bit line BL. The memory cell array 10 is provided with a memory cell MCd between the word line WLd and the bit line BL, and a memory cell MCu is provided between the bit line BL and the word line WLu, and has different heights in the Z direction. It has a structure in which a plurality of layers provided at the positions function as the memory cell array 10. In the structure shown in FIGS. 3 and 4, the memory cell MCd is associated with the lower layer and the memory cell MCU is associated with the upper layer. That is, of the two memory cell MCs commonly connected to one bit line BL, the memory cell MC provided in the upper layer of the bit line BL corresponds to the memory cell MCu with the subscript "u" and is in the lower layer. The memory cell MC provided in the above corresponds to the memory cell MCd with the subscript "d".
1.1.3 メモリセル
次に、第1実施形態に係る磁気記憶装置のメモリセルの構成について図5を用いて説明する。図5は、第1実施形態に係る磁気記憶装置のメモリセルの構成を示す断面図である。図5では、例えば、図3及び図4に示されたメモリセルMCdをZ方向に垂直な平面(例えば、XZ平面)に沿って切った断面の一例が示される。なお、メモリセルMCuは、メモリセルMCdと同等の構成を有するため、その図示が省略される。
1.1.3 Memory cell Next, the configuration of the memory cell of the magnetic storage device according to the first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration of a memory cell of the magnetic storage device according to the first embodiment. FIG. 5 shows, for example, an example of a cross section obtained by cutting the memory cells MCd shown in FIGS. 3 and 4 along a plane perpendicular to the Z direction (for example, an XZ plane). Since the memory cell MCU has the same configuration as the memory cell MCd, its illustration is omitted.
1.1.3.1 磁気抵抗効果素子
まず、メモリセルMC内の磁気抵抗効果素子MTJについて説明する。
11.3.1 Magnetoresistive element First, the magnetoresistive element MTJ in the memory cell MC will be described.
図5に示すように、磁気抵抗効果素子MTJは、例えば、記憶層SL(Storage layer)として機能する強磁性体31、トンネルバリア層TB(Tunnel barrier layer)として機能する非磁性体32、参照層RL(Reference layer)として機能する強磁性体33、スペーサ層SP(Spacer layer)として機能する非磁性体34、及びシフトキャンセル層SCL(Shift cancelling layer)として機能する強磁性体35を含む。 As shown in FIG. 5, the magnetoresistive sensor MTJ includes, for example, a ferromagnetic material 31 that functions as a storage layer SL (Storage layer), a non-magnetic material 32 that functions as a tunnel barrier layer TB (Tunnel barrier layer), and a reference layer. It includes a ferromagnetic material 33 that functions as an RL (Reference layer), a non-magnetic material 34 that functions as a spacer layer SP (Spacer layer), and a ferromagnetic material 35 that functions as a shift canceling layer SCL (Shift canceling layer).
磁気抵抗効果素子MTJdは、例えば、ワード線WLd側からビット線BL側に向けて(Z軸方向に)、強磁性体35、非磁性体34、強磁性体33、非磁性体32、及び強磁性体31の順に、複数の膜が積層される。磁気抵抗効果素子MTJuは、例えば、ビット線BL側からワード線WLu側に向けて(Z軸方向に)、強磁性体35、非磁性体34、強磁性体33、非磁性体32、及び強磁性体31の順に、複数の膜が積層される。磁気抵抗効果素子MTJd及びMTJuは、例えば、磁気抵抗効果素子MTJd及びMTJuを構成する磁性体の磁化方向がそれぞれ膜面に対して垂直方向を向く、垂直磁化型のMTJ素子として機能する。なお、磁気抵抗効果素子MTJは、上述の強磁性体31〜強磁性体35の任意の間に、図示しない更なる層を含んでいてもよい。 The magnetoresistive sensor MTJd includes, for example, a ferromagnetic material 35, a non-magnetic material 34, a ferromagnetic material 33, a non-magnetic material 32, and a strong material from the word line WLd side toward the bit line BL side (in the Z-axis direction). A plurality of films are laminated in the order of the magnetic material 31. The magnetoresistive sensor MTJu includes, for example, a ferromagnetic material 35, a non-magnetic material 34, a ferromagnetic material 33, a non-magnetic material 32, and a strong material from the bit wire BL side to the word wire WLu side (in the Z-axis direction). A plurality of films are laminated in the order of the magnetic material 31. The magnetoresistive sensor MTJd and MTJu function as, for example, a perpendicular magnetization type MTJ element in which the magnetization directions of the magnetic materials constituting the magnetoresistive sensor MTJd and MTJu are oriented perpendicular to the film surface. The magnetoresistive element MTJ may include a further layer (not shown) between any of the above-mentioned ferromagnets 31 to 35.
強磁性体31は、強磁性を有し、膜面に垂直な方向に磁化容易軸方向を有する。強磁性体31は、ビット線BL側、ワード線WL側のいずれかの方向に向かう磁化方向を有する。強磁性体31は、鉄(Fe)、コバルト(Co)、及びニッケル(Ni)の少なくともいずれか1つを含む。また、強磁性体31は、ボロン(B)を更に含んでいてもよい。より具体的には、例えば、強磁性体31は、コバルト鉄ボロン(CoFeB)又はホウ化鉄(FeB)を含み、体心立方系の結晶構造を有し得る。 The ferromagnet 31 has ferromagnetism and has an axial direction for easy magnetization in a direction perpendicular to the film surface. The ferromagnet 31 has a magnetization direction toward either the bit line BL side or the word line WL side. The ferromagnet 31 contains at least one of iron (Fe), cobalt (Co), and nickel (Ni). Further, the ferromagnet 31 may further contain boron (B). More specifically, for example, the ferromagnet 31 may contain cobalt iron boron (CoFeB) or iron tetraboride (FeB) and may have a body-centered cubic crystal structure.
非磁性体32は、非磁性の絶縁膜であり、例えば酸化マグネシウム(MgO)を含む。非磁性体32は、強磁性体31と強磁性体33との間に設けられて、これら2つの強磁性体と共に磁気トンネル接合を形成する。また、非磁性体32は、体心立方系の結晶構造(膜面が(001)面に配向したNaCl結晶構造)を有し、隣り合う強磁性体31及び33の結晶化処理において、強磁性体31及び33との界面から結晶質の膜を成長させるための核となるシード材としても機能し得る。 The non-magnetic material 32 is a non-magnetic insulating film and contains, for example, magnesium oxide (MgO). The non-magnetic body 32 is provided between the ferromagnetic material 31 and the ferromagnetic material 33, and forms a magnetic tunnel junction together with these two ferromagnetic materials. Further, the non-magnetic material 32 has a body-centered cubic crystal structure (a NaCl crystal structure in which the film surface is oriented toward the (001) plane), and is ferromagnetic in the crystallization treatment of the adjacent ferromagnetic materials 31 and 33. It can also function as a core seed material for growing crystalline films from the interface with bodies 31 and 33.
強磁性体33は、強磁性を有し、膜面に垂直な方向に磁化容易軸方向を有する。強磁性体33は、ビット線BL側、ワード線WL側のいずれかの方向に向かう磁化方向を有する。強磁性体33は、例えば、鉄(Fe)、コバルト(Co)、及びニッケル(Ni)の少なくともいずれか1つを含む。また、強磁性体33は、ボロン(B)を更に含んでいてもよい。より具体的には、例えば、強磁性体33は、コバルト鉄ボロン(CoFeB)又はホウ化鉄(FeB)を含み、体心立方系の結晶構造を有し得る。強磁性体33の磁化方向は、固定されており、図5の例では、強磁性体35の方向を向いている。なお、「磁化方向が固定されている」とは、強磁性体31の磁化方向を反転させ得る大きさの電流(スピントルク)によって、磁化方向が変化しないことを意味する。 The ferromagnet 33 has ferromagnetism and has an axial direction for easy magnetization in a direction perpendicular to the film surface. The ferromagnet 33 has a magnetization direction toward either the bit line BL side or the word line WL side. The ferromagnet 33 contains, for example, at least one of iron (Fe), cobalt (Co), and nickel (Ni). Further, the ferromagnet 33 may further contain boron (B). More specifically, for example, the ferromagnet 33 may contain cobalt iron boron (CoFeB) or iron tetraboride (FeB) and have a body-centered cubic crystal structure. The magnetization direction of the ferromagnet 33 is fixed, and in the example of FIG. 5, it faces the direction of the ferromagnet 35. Note that "the magnetization direction is fixed" means that the magnetization direction does not change due to a current (spin torque) having a magnitude capable of reversing the magnetization direction of the ferromagnetic material 31.
なお、図5では図示を省略しているが、強磁性体33は、複数の層からなる積層体であってもよい。具体的には例えば、強磁性体33を構成する積層体は、上述のコバルト鉄ボロン(CoFeB)又はホウ化鉄(FeB)を含む界面層の強磁性体35側の面上において、非磁性の導電体を介して、更なる強磁性体が積層される構造であってもよい。強磁性体33を構成する積層体内の非磁性の導電体は、例えば、タンタル(Ta)、ハフニウム(Hf)、タングステン(W)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)、及びチタン(Ti)から選択される少なくとも1つの金属を含み得る。強磁性体33を構成する積層体内の更なる強磁性体は、例えば、コバルト(Co)と白金(Pt)との多層膜(Co/Pt多層膜)、コバルト(Co)とニッケル(Ni)との多層膜(Co/Ni多層膜)、及びコバルト(Co)とパラジウム(Pd)との多層膜(Co/Pd多層膜)から選択される少なくとも1つの多層膜を含み得る。 Although not shown in FIG. 5, the ferromagnetic material 33 may be a laminated body composed of a plurality of layers. Specifically, for example, the laminate constituting the ferromagnet 33 is non-magnetic on the surface of the interface layer containing the above-mentioned cobalt iron boron (CoFeB) or iron borate (FeB) on the ferromagnet 35 side. The structure may be such that further ferromagnets are laminated via the conductor. The non-magnetic conductors in the laminate constituting the ferromagnetic material 33 include, for example, tantalum (Ta), hafnium (Hf), tungsten (W), zirconium (Zr), molybdenum (Mo), niobium (Nb), and It may contain at least one metal selected from titanium (Ti). Further ferromagnets in the laminate constituting the ferromagnet 33 include, for example, a multilayer film of cobalt (Co) and platinum (Pt) (Co / Pt multilayer film), cobalt (Co) and nickel (Ni). It may include at least one multilayer film selected from the above multilayer film (Co / Ni multilayer film) and the multilayer film of cobalt (Co) and palladium (Pd) (Co / Pd multilayer film).
非磁性体34は、非磁性の導電膜であり、例えばルテニウム(Ru)を含む。 The non-magnetic material 34 is a non-magnetic conductive film and contains, for example, ruthenium (Ru).
強磁性体35は、強磁性を有し、膜面に垂直な方向に磁化容易軸方向を有する。強磁性体35は、例えばコバルト白金(CoPt)、コバルトニッケル(CoNi)、及びコバルトパラジウム(CoPd)から選択される少なくとも1つの合金を含む。強磁性体35は、強磁性体35と同様、複数の層からなる積層体であってもよい。その場合、強磁性体35は、例えば、コバルト(Co)と白金(Pt)との多層膜(Co/Pt多層膜)、コバルト(Co)とニッケル(Ni)との多層膜(Co/Ni多層膜)、及びコバルト(Co)とパラジウム(Pd)との多層膜(Co/Pd多層膜)から選択される少なくとも1つの多層膜を含み得る。 The ferromagnet 35 has ferromagnetism and has an axial direction for easy magnetization in a direction perpendicular to the film surface. The ferromagnet 35 comprises at least one alloy selected from, for example, cobalt platinum (CoPt), cobalt nickel (CoNi), and cobalt palladium (CoPd). Like the ferromagnet 35, the ferromagnet 35 may be a laminated body composed of a plurality of layers. In that case, the ferromagnetic material 35 is, for example, a multilayer film of cobalt (Co) and platinum (Pt) (Co / Pt multilayer film), or a multilayer film of cobalt (Co) and nickel (Ni) (Co / Ni multilayer film). Membranes) and at least one multilayer film selected from a multilayer film of cobalt (Co) and palladium (Pd) (Co / Pd multilayer film).
強磁性体35は、ビット線BL側、ワード線WL側のいずれかの方向に向かう磁化方向を有する。強磁性体35の磁化方向は、強磁性体33と同様に固定されており、図5の例では、強磁性体33の方向を向いている。 The ferromagnet 35 has a magnetization direction toward either the bit line BL side or the word line WL side. The magnetization direction of the ferromagnet 35 is fixed in the same manner as that of the ferromagnet 33, and in the example of FIG. 5, it faces the direction of the ferromagnet 33.
強磁性体33及び35は、非磁性体34によって反強磁性的に結合される。すなわち、強磁性体33及び35は、互いに反平行な磁化方向を有するように結合される。このため、図5の例では、強磁性体33及び35の磁化方向は、互いに向かい合う方向を向いている。このような強磁性体33、非磁性体34、及び強磁性体35の結合構造を、SAF(Synthetic Anti-Ferromagnetic)構造という。これにより、強磁性体35は、強磁性体33の漏れ磁場が強磁性体31の磁化方向に与える影響を相殺することができる。このため、強磁性体33の漏れ磁場等に起因する外的要因によって強磁性体31の磁化の反転し易さに非対称性が発生すること(すなわち、強磁性体31の磁化の方向の反転する際の反転し易さが、一方から他方に反転する場合と、その逆方向に反転する場合とで異なること)が抑制される。 Ferromagnets 33 and 35 are antiferromagnetically coupled by a non-magnetic material 34. That is, the ferromagnets 33 and 35 are coupled so as to have magnetization directions antiparallel to each other. Therefore, in the example of FIG. 5, the magnetization directions of the ferromagnets 33 and 35 are oriented so as to face each other. Such a bonded structure of the ferromagnetic material 33, the non-magnetic material 34, and the ferromagnetic material 35 is called a SAF (Synthetic Anti-Ferromagnetic) structure. Thereby, the ferromagnet 35 can cancel the influence of the leakage magnetic field of the ferromagnet 33 on the magnetization direction of the ferromagnet 31. Therefore, asymmetry occurs in the easiness of reversing the magnetization of the ferromagnet 31 due to an external factor caused by the leakage magnetic field of the ferromagnet 33 (that is, the direction of magnetization of the ferromagnet 31 is reversed). The easiness of reversing is different between the case of reversing from one side to the other and the case of reversing in the opposite direction).
第1実施形態では、このような磁気抵抗効果素子MTJに直接書込み電流を流し、この書込み電流によって記憶層SL及び参照層RLにスピントルクを注入し、記憶層SLの磁化方向及び参照層RLの磁化方向を制御するスピン注入書込み方式を採用する。磁気抵抗効果素子MTJは、記憶層SL及び参照層RLの磁化方向の相対関係が平行か反平行かによって、低抵抗状態及び高抵抗状態のいずれかを取ることが出来る。 In the first embodiment, a write current is directly passed through such a magnetoresistive element MTJ, and a spin torque is injected into the storage layer SL and the reference layer RL by this write current, so that the magnetization direction of the storage layer SL and the reference layer RL A spin injection writing method that controls the magnetization direction is adopted. The magnetoresistive element MTJ can take either a low resistance state or a high resistance state depending on whether the relative relationship between the magnetization directions of the storage layer SL and the reference layer RL is parallel or antiparallel.
磁気抵抗効果素子MTJに、図5における矢印A1の方向、即ち記憶層SLから参照層RLに向かう方向に、或る大きさの書込み電流Iappを流すと、記憶層SL及び参照層RLの磁化方向の相対関係は、平行になる。この平行状態の場合、磁気抵抗効果素子MTJの抵抗値は最も低くなり、磁気抵抗効果素子MTJは低抵抗状態に設定される。この低抵抗状態は、「P(Parallel)状態」と呼ばれ、例えばデータ“0”の状態と規定される。 When a write current Iapp of a certain magnitude is passed through the magnetoresistive sensor MTJ in the direction of arrow A1 in FIG. 5, that is, in the direction from the storage layer SL to the reference layer RL, the magnetization directions of the storage layer SL and the reference layer RL The relative relationship of is parallel. In this parallel state, the resistance value of the magnetoresistive element MTJ is the lowest, and the magnetoresistive element MTJ is set to the low resistance state. This low resistance state is called a "P (Parallel) state" and is defined as, for example, a state of data "0".
また、磁気抵抗効果素子MTJに、図5における矢印A2の方向、即ち参照層RLから記憶層SLに向かう方向(矢印A1と反対方向)に、書込み電流Iappより大きい書込み電流Ipapを流すと、記憶層SL及び参照層RLの磁化方向の相対関係は、反平行になる。この反平行状態の場合、磁気抵抗効果素子MTJの抵抗値は最も高くなり、磁気抵抗効果素子MTJは高抵抗状態に設定される。この高抵抗状態は、「AP(Anti-Parallel)状態」と呼ばれ、例えばデータ“1”の状態と規定される。 Further, when a write current Ipup larger than the write current Iap is passed through the magnetoresistive sensor MTJ in the direction of arrow A2 in FIG. The relative relationship of the magnetization directions of the layer SL and the reference layer RL is antiparallel. In this antiparallel state, the resistance value of the magnetoresistive element MTJ is the highest, and the magnetoresistive element MTJ is set to the high resistance state. This high resistance state is called an "AP (Anti-Parallel) state" and is defined as, for example, a state of data "1".
なお、以下の説明では、上述したデータの規定方法に従って説明するが、データ“1”及びデータ“0”の規定の仕方は、上述した例に限られない。例えば、P状態をデータ“1”と規定し、AP状態をデータ“0”と規定してもよい。 In the following description, the method of defining the data will be described according to the above-mentioned method of defining the data, but the method of defining the data “1” and the data “0” is not limited to the above-mentioned example. For example, the P state may be defined as data “1” and the AP state may be defined as data “0”.
1.1.3.2 スイッチング素子
次に、引き続き図5を参照してスイッチング素子SELについて説明する。
11.3.2 Switching element Next, the switching element SEL will be described with reference to FIG.
図5の例では、スイッチング素子SELは、磁気抵抗効果素子MTJ上に設けられる。が、スイッチング素子SELは、図示せぬコンタクトを介して磁気抵抗効果素子MTJと接続されていてもよい。 In the example of FIG. 5, the switching element SEL is provided on the magnetoresistive element MTJ. However, the switching element SEL may be connected to the magnetoresistive element MTJ via a contact (not shown).
スイッチング素子SELは、上部電極(Top electrode)TELとして機能する電極材41と、セレクタ材42と、下部電極(Bottom electrode)BELとして機能する電極材43と、を含む。スイッチング素子SELは、全体として、二端子間(二端子型)スイッチング素子として機能し、二端子間に印加する電圧が閾値電圧以下の場合、そのスイッチング素子は“高抵抗”状態、例えば電気的に非導通状態である。二端子間に印加する電圧が閾値電圧を上回る場合、スイッチング素子は“低抵抗”状態、例えば電気的に導通状態に変わる。スイッチング素子は、電圧がどちらの極性でもこの機能を有していてもよい。 The switching element SEL includes an electrode material 41 that functions as a top electrode TEL, a selector material 42, and an electrode material 43 that functions as a bottom electrode BEL. As a whole, the switching element SEL functions as a two-terminal (two-terminal type) switching element, and when the voltage applied between the two terminals is equal to or less than the threshold voltage, the switching element is in a "high resistance" state, for example, electrically. It is in a non-conducting state. When the voltage applied between the two terminals exceeds the threshold voltage, the switching element changes to a "low resistance" state, for example, an electrically conductive state. The switching element may have this function regardless of the polarity of the voltage.
スイッチング素子SELdは、例えば、ワード線WLd側からビット線BL側に向けて(Z軸方向に)、電極材43、セレクタ材42、及び電極材41の順に、複数の膜が積層される。スイッチング素子SELuは、例えば、ビット線BL側からワード線WLu側に向けて(Z軸方向に)、電極材43、セレクタ材42、及び電極材41の順に、複数の膜が積層される。つまり、図5の例では、電極材41から電極材43に向かう方向は、強磁性体31(記憶層SL)から強磁性体33(参照層RL)に向かう方向、すなわち磁気抵抗効果素子MTJを低抵抗状態にする書込み電流Iappの流れる方向(矢印A1)に対応する。また、電極材43から電極材41に向かう方向は、強磁性体33(参照層RL)から強磁性体31(記憶層SL)に向かう方向、すなわち磁気抵抗効果素子MTJを高抵抗状態にする書込み電流Ipapの流れる方向(矢印A2)に対応する。 In the switching element SELd, for example, a plurality of films are laminated in the order of the electrode material 43, the selector material 42, and the electrode material 41 from the word line WLd side to the bit line BL side (in the Z-axis direction). In the switching element SELu, for example, a plurality of films are laminated in the order of the electrode material 43, the selector material 42, and the electrode material 41 from the bit line BL side to the word line WLu side (in the Z-axis direction). That is, in the example of FIG. 5, the direction from the electrode material 41 to the electrode material 43 is the direction from the ferromagnetic material 31 (storage layer SL) to the ferromagnetic material 33 (reference layer RL), that is, the magnetoresistive sensor MTJ. Corresponds to the flow direction (arrow A1) of the write current Iapp in the low resistance state. Further, the direction from the electrode material 43 to the electrode material 41 is the direction from the ferromagnet 33 (reference layer RL) to the ferromagnet 31 (storage layer SL), that is, writing that puts the magnetoresistive element MTJ in a high resistance state. It corresponds to the direction in which the current Ipap flows (arrow A2).
電極材41は、スイッチング素子SELの寄生抵抗の上昇を抑制する導電体としての機能を有する。電極材41は、例えば、炭素(C)、窒化炭素(CN)、窒化タングステン(WN)、及び窒化チタン(TiN)から選択される少なくとも1つを含む。 The electrode material 41 has a function as a conductor that suppresses an increase in the parasitic resistance of the switching element SEL. The electrode material 41 includes, for example, at least one selected from carbon (C), carbon nitride (CN), tungsten nitride (WN), and titanium nitride (TiN).
セレクタ材42は、上述したスイッチング素子SELが二端子間(二端子型)スイッチング素子として機能するためのコア部分である。セレクタ材42は、例えば、テルル(Te)、セレン(Se)及び硫黄(S)からなる群より選択された少なくとも1種以上のカルコゲン元素を含んでもよい。または、例えば、上記カルコゲン元素を含む化合物であるカルコゲナイドを含んでいてもよい。セレクタ材42は他にも、例えば、ボロン(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、炭素(C)、ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、ヒ素(As)、リン(P)、アンチモン(Sb)、チタン(Ti)、及びビスマス(Bi)からなる群より選択された少なくとも1種以上の元素を含んでもよい。より具体的には、セレクタ材42は、ゲルマニウム(Ge)、アンチモン(Sb)、テルル(Te)、チタン(Ti)、ヒ素(As)、インジウム(In)、及びビスマス(Bi)から選択される少なくとも2つの元素を含んでいてもよい。更に、セレクタ材42は他にも、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ハフニウム(Hf)、及びタングステン(W)から選択された少なくとも1種の元素の酸化物を含んでいてもよい。 The selector material 42 is a core portion for the above-mentioned switching element SEL to function as a two-terminal (two-terminal type) switching element. The selector material 42 may contain, for example, at least one chalcogen element selected from the group consisting of tellurium (Te), selenium (Se) and sulfur (S). Alternatively, for example, it may contain chalcogenide, which is a compound containing the chalcogen element. Other selector materials 42 include, for example, boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In), carbon (C), silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), and the like. It may contain at least one or more elements selected from the group consisting of arsenic (As), phosphorus (P), antimony (Sb), titanium (Ti), and bismuth (Bi). More specifically, the selector material 42 is selected from germanium (Ge), antimony (Sb), tellurium (Te), titanium (Ti), arsenic (As), indium (In), and bismuth (Bi). It may contain at least two elements. Further, the selector material 42 is at least selected from titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), hafnium (Hf), and tungsten (W). It may contain an oxide of one element.
電極材43は、電極材41と同様、スイッチング素子SELの寄生抵抗の上昇を抑制する導電体としての機能を有する。一方、電極材43には、電極材41と異なる物質が採用される。例えば、電極材43は、炭素(C)、窒化炭素(CN)、窒化タングステン(WN)、及び窒化チタン(TiN)のうち、電極材41に含まれない物質から選択される少なくとも1つを含む。 Like the electrode material 41, the electrode material 43 has a function as a conductor that suppresses an increase in the parasitic resistance of the switching element SEL. On the other hand, a substance different from that of the electrode material 41 is used for the electrode material 43. For example, the electrode material 43 contains at least one selected from substances not contained in the electrode material 41 among carbon (C), carbon nitride (CN), tungsten nitride (WN), and titanium nitride (TiN). ..
電極材41及び43に互いに異なる物質を採用することにより、スイッチング素子SELのスイッチング特性に極性が生じる。すなわち、スイッチング素子SELのスイッチング特性は、電極材41から電極材43に向けて(つまり、矢印A1の方向に)正の電圧が印可される場合と、電極材43から電極材41に向けて(つまり、矢印A2の方向に)正の電圧が印加される場合と、で違いが生じる(非対称となる)。これにより、スイッチング素子SELのスイッチング特性を含むメモリセルMC全体の特性に極性が生じる。以下の説明では、便宜的に、電極材41から電極材43に向けて正の電圧が印加される場合のメモリセルMCの極性を「第1極性」とし、電極材43から電極材41に向けて正の電圧が印加される場合のメモリセルMCの極性を「第2極性」とする。 By adopting different substances for the electrode materials 41 and 43, polarity is generated in the switching characteristics of the switching element SEL. That is, the switching characteristics of the switching element SEL are when a positive voltage is applied from the electrode material 41 toward the electrode material 43 (that is, in the direction of the arrow A1) and when a positive voltage is applied from the electrode material 43 toward the electrode material 41 (that is,). That is, there is a difference (asymmetry) between the case where a positive voltage is applied (in the direction of arrow A2) and the case where a positive voltage is applied. As a result, the characteristics of the entire memory cell MC including the switching characteristics of the switching element SEL are polarized. In the following description, for convenience, the polarity of the memory cell MC when a positive voltage is applied from the electrode material 41 toward the electrode material 43 is defined as “first polarity”, and the polarity is defined as “first polarity” from the electrode material 43 toward the electrode material 41. The polarity of the memory cell MC when a positive voltage is applied is defined as the “second polarity”.
1.2 動作
次に、第1実施形態に係る磁気記憶装置の動作について説明する。
1.2 Operation Next, the operation of the magnetic storage device according to the first embodiment will be described.
1.2.1 メモリセルの選択動作について
第1実施形態に係る磁気記憶装置におけるメモリセルの選択動作について図6を用いて説明する。なお、以下の説明では、書込み対象又は読出し対象のメモリセルMC、すなわち選択ワード線WL及び選択ビット線BLの組に対応付けられるメモリセルMCを選択メモリセルMC(又は選択状態のメモリセルMC)と言う。
1.2.1 Memory cell selection operation The memory cell selection operation in the magnetic storage device according to the first embodiment will be described with reference to FIG. In the following description, the memory cell MC to be written or read, that is, the memory cell MC associated with the set of the selected word line WL and the selected bit line BL is selected as the selected memory cell MC (or the selected memory cell MC). Say.
図6は、第1実施形態に係る磁気記憶装置のメモリセルの選択動作の概要を説明するための模式図である。図6では、一例として、ビット線BL<0>及びBL<1>と、ワード線WLu<0>、WLd<0>、WLu<1>、及びWLd<1>との間で接続される8つのメモリセルMCが示される。 FIG. 6 is a schematic diagram for explaining an outline of a memory cell selection operation of the magnetic storage device according to the first embodiment. In FIG. 6, as an example, the bit lines BL <0> and BL <1> are connected to the word lines WLu <0>, WLd <0>, WLu <1>, and WLd <1> 8 One memory cell MC is shown.
図6に示すように、ロウ選択回路11及びカラム選択回路12は、選択ワード線WL及び選択ビット線BLの間に電圧Vselが印加されるように制御する。電圧Vselは、スイッチング素子SELの閾値電圧Vtより大きい電圧である。図5の例では、一例として、選択ワード線WLd<0>に電圧Vselが印加され、選択ビット線BL<1>に電圧VSSが印加される場合が示される。電圧VSSは、接地電圧であり、例えば0Vである。 As shown in FIG. 6, the row selection circuit 11 and the column selection circuit 12 control so that a voltage Vsel is applied between the selection word line WL and the selection bit line BL. The voltage Vsel is a voltage larger than the threshold voltage Vt of the switching element SEL. In the example of FIG. 5, as an example, a case where the voltage VSS is applied to the selection word line WLd <0> and the voltage VSS is applied to the selection bit line BL <1> is shown. The voltage VSS is a ground voltage, for example 0V.
選択メモリセルMCには、電圧Vselが印加される。このため、選択メモリセルMC内のスイッチング素子SELには、閾値電圧Vt以上の電圧が印加される。これにより、選択メモリセルMC内のスイッチング素子SELはオン状態となり、選択メモリセルMC内の磁気抵抗効果素子MTJに書込み電流又は読出し電流を流すことができる。なお、流す電流の方向を反転させたい場合には、ロウ選択回路11及びカラム選択回路12は、選択ビット線BL<1>に電圧Vselを印加し、選択ワード線WLd<0>に電圧VSSを印加するように制御すればよい。 A voltage Vsel is applied to the selected memory cell MC. Therefore, a voltage equal to or higher than the threshold voltage Vt is applied to the switching element SEL in the selected memory cell MC. As a result, the switching element SEL in the selected memory cell MC is turned on, and a write current or a read current can be passed through the magnetoresistive effect element MTJ in the selected memory cell MC. When it is desired to reverse the direction of the flowing current, the row selection circuit 11 and the column selection circuit 12 apply a voltage VSS to the selection bit line BL <1> and a voltage VSS to the selection word line WLd <0>. It may be controlled so as to apply.
また、ロウ選択回路11及びカラム選択回路12は、非選択ワード線WL、及び非選択ビット線BLに電圧Vsel/2が供給されるように制御する。電圧Vsel/2は、スイッチング素子SELがオン状態となる閾値電圧Vtよりも小さい電圧である。図6の例では、一例として、ワード線WLu<0>、WLd<1>、及びWLu<1>、並びにビット線BL<0>に電圧Vsel/2が印加される場合が示される。選択ビット線BLと非選択ワード線WLとの間に設けられるメモリセルMC、及び選択ワード線WLと非選択ビット線BLとの間に設けられるメモリセルMCは、半選択メモリセルMC(又は半選択状態のメモリセルMC)と言う。半選択メモリセルMCには、電圧Vsel/2が印加される。このため、半選択メモリセルMC内のスイッチング素子SELには、閾値電圧Vt未満の電圧が印加される。これにより、半選択メモリセルMC内のスイッチング素子SELはオフ状態となり、半選択メモリセルMC内の磁気抵抗効果素子MTJに書込み電流又は読出し電流が流れることを抑制できる。 Further, the row selection circuit 11 and the column selection circuit 12 control so that the voltage Vsel / 2 is supplied to the non-selection word line WL and the non-selection bit line BL. The voltage Vsel / 2 is a voltage smaller than the threshold voltage Vt at which the switching element SEL is turned on. In the example of FIG. 6, as an example, a case where the voltage Vsel / 2 is applied to the word lines WLu <0>, WLd <1>, WLu <1>, and the bit line BL <0> is shown. The memory cell MC provided between the selected bit line BL and the non-selected word line WL and the memory cell MC provided between the selected word line WL and the non-selected word line BL are semi-selected memory cell MC (or half). Memory cell MC in the selected state). A voltage Vsel / 2 is applied to the semi-selective memory cell MC. Therefore, a voltage less than the threshold voltage Vt is applied to the switching element SEL in the semi-selective memory cell MC. As a result, the switching element SEL in the semiselective memory cell MC is turned off, and it is possible to suppress the flow of the write current or the read current to the magnetoresistive effect element MTJ in the semiselective memory cell MC.
また、非選択ビット線BLと非選択ワード線WLとの間に設けられるメモリセルMCは非選択メモリセルMC(又は非選択状態のメモリセルMC)と言う。非選択ビット線BLと非選択ワード線WLには、いずれも電圧Vsel/2が印加されるため、非選択メモリセルMCには、電圧降下が生じない。このため、非選択メモリセルMC内のスイッチング素子SELはオフ状態となり、非選択メモリセルMC内の磁気抵抗効果素子MTJに書込み電流又は読出し電流が流れることを抑制できる。 Further, the memory cell MC provided between the non-selected bit line BL and the non-selected word line WL is referred to as a non-selected memory cell MC (or a memory cell MC in a non-selected state). Since the voltage Vsel / 2 is applied to both the non-selected bit line BL and the non-selected word line WL, no voltage drop occurs in the non-selected memory cell MC. Therefore, the switching element SEL in the non-selective memory cell MC is turned off, and it is possible to suppress the flow of the write current or the read current to the magnetoresistive effect element MTJ in the non-selective memory cell MC.
1.2.2 メモリセルのIV特性
次に、第1実施形態に係る磁気記憶装置のスイッチング素子SELの極性に伴うメモリセルMCの電流−電圧特性(以下、IV特性とも呼ぶ)について図7を用いて説明する。
1.2.2 IV Characteristics of Memory Cell Next, FIG. 7 shows the current-voltage characteristics (hereinafter, also referred to as IV characteristics) of the memory cell MC due to the polarity of the switching element SEL of the magnetic storage device according to the first embodiment. It will be described using.
図7は、第1実施形態に係る磁気記憶装置における書込み動作及び読出し動作と、メモリセルのIV特性との関係を説明するためのダイアグラムである。図7では、横軸にメモリセルMCに印加される電圧を、縦軸にメモリセルMCに流れる電流の絶対値を、いずれも線形にとった場合のメモリセルMCの電流−電圧特性(以下、IV特性とも呼ぶ)が示される。なお、図7では、横軸のうち紙面中央から右に向かう軸は第1極性(電圧V1)に対応し、横軸のうち紙面中央から左に向かう軸は第2極性(電圧V2)に対応する。 FIG. 7 is a diagram for explaining the relationship between the writing operation and the reading operation in the magnetic storage device according to the first embodiment and the IV characteristics of the memory cell. In FIG. 7, the current-voltage characteristic of the memory cell MC when the voltage applied to the memory cell MC is linearly plotted on the horizontal axis and the absolute value of the current flowing through the memory cell MC is linearly plotted on the vertical axis. IV characteristics) are shown. In FIG. 7, the horizontal axis from the center of the paper surface to the right corresponds to the first polarity (voltage V1), and the horizontal axis from the center of the paper surface to the left corresponds to the second polarity (voltage V2). To do.
図7に示すように、メモリセルMCのIV特性は、線Rap及びRpにより表される。線Rapは、磁気抵抗効果素子MTJが高抵抗状態の場合において、図5における矢印A1の方向にメモリセルMCに印加される電圧V1と、その際にメモリセルMCに流れる電流|I|との関係をプロットしたものである。線Rpは、磁気抵抗効果素子MTJが低抵抗状態の場合において、図5における矢印A2の方向にメモリセルMCに印加される電圧V2と、その際にメモリセルMCに流れる電流|I|との関係をプロットしたものである。 As shown in FIG. 7, the IV characteristics of the memory cell MC are represented by the lines Rap and Rp. The line Rap is a voltage V1 applied to the memory cell MC in the direction of the arrow A1 in FIG. 5 when the magnetoresistive element MTJ is in a high resistance state, and a current | I | flowing in the memory cell MC at that time. It is a plot of the relationship. The line Rp is a voltage V2 applied to the memory cell MC in the direction of the arrow A2 in FIG. 5 when the magnetoresistive element MTJ is in a low resistance state, and a current | I | flowing in the memory cell MC at that time. It is a plot of the relationship.
まず、メモリセルMCの第1極性について説明する。第1極性では、データ“0”の書込み動作(つまり、磁気抵抗効果素子MTJを高抵抗状態から低抵抗状態にする書込み動作)が実行される。以下では、磁気抵抗効果素子MTJは高抵抗状態であるものとして説明する。 First, the first polarity of the memory cell MC will be described. At the first polarity, the writing operation of the data “0” (that is, the writing operation of changing the magnetoresistive element MTJ from the high resistance state to the low resistance state) is executed. Hereinafter, the magnetoresistive element MTJ will be described as being in a high resistance state.
上述の通り、スイッチング素子SELは、電圧V1が閾値電圧Vt以下の場合には高抵抗状態であるため、この場合メモリセルMCには電流|I|が流れない。一方、スイッチング素子SELは、電圧V1が増加していき、閾値電圧Vtを超えると低抵抗状態に切り替わり、以降は電圧降下量Vh1を有する定抵抗とみなすことができる。このため、スイッチング素子SELが低抵抗状態に切り替わった直後には、磁気抵抗効果素子MTJに電圧VS_app=(Vt−Vh1)が印加されると共に、スパイク電流VS_app/Rapが流れる。電圧Vh1は、第1極性におけるスイッチング素子SELのホールド電圧とも呼ぶ。 As described above, since the switching element SEL is in a high resistance state when the voltage V1 is equal to or less than the threshold voltage Vt, no current | I | flows through the memory cell MC in this case. On the other hand, the switching element SEL can be regarded as a constant resistance having a voltage drop amount Vh1 after the voltage V1 increases and the switching element SEL switches to a low resistance state when the threshold voltage Vt is exceeded. Therefore, immediately after the switching element SEL is switched to the low resistance state, the voltage VS_app = (Vt-Vh1) is applied to the magnetoresistive effect element MTJ, and the spike current VS_app / Rap flows. The voltage Vh1 is also referred to as a hold voltage of the switching element SEL in the first polarity.
なお、メモリセルMCからデータを読み出す場合、磁気抵抗効果素子MTJが高抵抗状態の際に読出し動作を実行することにより、より小さい読出し電流によってデータを読み出すことができる。例えば、読出し電流Irの大きさは、高抵抗状態の磁気抵抗効果素子MTJに流れる電流量の最小値、すなわち、上述のスパイク電流VS_app/Rap程度の大きさに設定され得る。 When reading data from the memory cell MC, the data can be read with a smaller read current by executing the read operation when the magnetoresistive element MTJ is in the high resistance state. For example, the magnitude of the read current Ir can be set to the minimum value of the amount of current flowing through the magnetoresistive element MTJ in the high resistance state, that is, the magnitude of the spike current VS_app / Rap as described above.
その後、更に電圧V1を増加させると、メモリセルMCに流れる電流|I|は、線Rapに沿って増加する。そして、電圧V1が電圧Vappまで増加すると、磁気抵抗効果素子MTJにおける電圧降下量がVmtj_app(=Vapp−Vh1)となり、電流|I|が書込み電流Iappに達する。データ“0”の書込み動作は、このような条件下で実行される。 After that, when the voltage V1 is further increased, the current | I | flowing through the memory cell MC increases along the line Rap. Then, when the voltage V1 increases to the voltage Vapp, the amount of voltage drop in the magnetoresistive element MTJ becomes Vmtj_appp (= Vapp-Vh1), and the current | I | reaches the write current Iapp. The write operation of the data "0" is executed under such a condition.
なお、上述の通り、データ“0”の書込み動作では、半選択のメモリセルMCには、電圧Vapp/2に相当する電圧V1が印可される。このため、半選択のメモリセルMCが誤って選択されないための条件として、スイッチング素子SELの閾値電圧Vtは、電圧Vapp/2よりも大きい値に設定される。 As described above, in the data “0” writing operation, the voltage V1 corresponding to the voltage Vapp / 2 is applied to the semi-selected memory cell MC. Therefore, the threshold voltage Vt of the switching element SEL is set to a value larger than the voltage Vapp / 2 as a condition for preventing the semi-selected memory cell MC from being erroneously selected.
次に、第2極性について説明する。第2極性では、データ“1”の書込み動作(つまり、磁気抵抗効果素子MTJを低抵抗状態から高抵抗状態にする書込み動作)が実行される。このような第2極性において、スイッチング素子SELは、第1極性におけるホールド電圧Vh1より低いホールド電圧Vh2を有する。以下では、磁気抵抗効果素子MTJは低抵抗状態であるものとして説明する。 Next, the second polarity will be described. In the second polarity, the writing operation of the data “1” (that is, the writing operation of changing the magnetoresistive element MTJ from the low resistance state to the high resistance state) is executed. In such a second polarity, the switching element SEL has a hold voltage Vh2 lower than the hold voltage Vh1 in the first polarity. Hereinafter, the magnetoresistive element MTJ will be described as being in a low resistance state.
上述の通り、スイッチング素子SELは、電圧V2が閾値電圧Vt以下の場合には高抵抗状態であるため、この場合メモリセルMCには電流|I|が流れない。一方、スイッチング素子SELは、電圧V2が増加していき、閾値電圧Vtを超えると低抵抗状態に切り替わり、以降は電圧降下量Vh2を有する定抵抗とみなすことができる。このため、スイッチング素子SELが低抵抗状態に切り替わった直後には、磁気抵抗効果素子MTJに電圧VS_pap=(Vt−Vh2)が印加されると共に、スパイク電流VS_pap/Rpが流れる。閾値電圧Vtが極性によって変化しない条件下では、ホールド電圧Vh2がホールド電圧Vh1より低いため、電圧VS_papは、電圧VS_appより高くなる。 As described above, since the switching element SEL is in a high resistance state when the voltage V2 is equal to or less than the threshold voltage Vt, no current | I | flows through the memory cell MC in this case. On the other hand, the switching element SEL can be regarded as a constant resistor having a voltage drop amount Vh2 after the voltage V2 increases and the switching element SEL switches to a low resistance state when the threshold voltage Vt is exceeded. Therefore, immediately after the switching element SEL is switched to the low resistance state, the voltage VS_pap = (Vt-Vh2) is applied to the magnetoresistive effect element MTJ, and the spike current VS_pap / Rp flows. Under the condition that the threshold voltage Vt does not change depending on the polarity, the voltage VS_pap is higher than the voltage VS_app because the hold voltage Vh2 is lower than the hold voltage Vh1.
その後、更に電圧V2を増加させると、メモリセルMCに流れる電流|I|は、線Rpに沿って増加する。そして、電圧V2が電圧Vpapまで増加すると、磁気抵抗効果素子MTJにおける電圧降下量がVmtj_pap(=Vpap−Vh2)となり、電流|I|が書込み電流Ipapに達する。ホールド電圧Vh2をホールド電圧Vh1より低くすることにより、電圧Vpapを電圧Vapp程度まで低下させることができる。つまり、電圧Vpapは、電圧Vappより高くてもよく、電圧Vappと等しくてもよい。データ“1”の書込み動作は、このような条件下で実行される。 After that, when the voltage V2 is further increased, the current | I | flowing through the memory cell MC increases along the line Rp. Then, when the voltage V2 increases to the voltage Vpap, the amount of voltage drop in the magnetoresistive element MTJ becomes Vmtj_pap (= Vpap-Vh2), and the current | I | reaches the write current Ipap. By lowering the hold voltage Vh2 to lower than the hold voltage Vh1, the voltage Vpup can be lowered to about the voltage Vhap. That is, the voltage Vpap may be higher than the voltage Vapp and may be equal to the voltage Vapp. The write operation of the data "1" is executed under such a condition.
なお、上述の通り、データ“1”の書込み動作では、半選択のメモリセルMCには、電圧Vpap/2に相当する電圧V2が印可される。このため、半選択のメモリセルMCが誤って選択されないための条件として、スイッチング素子SELの閾値電圧Vtは、電圧Vpap/2よりも大きい値に設定される。 As described above, in the writing operation of the data "1", the voltage V2 corresponding to the voltage Vpap / 2 is applied to the semi-selected memory cell MC. Therefore, the threshold voltage Vt of the switching element SEL is set to a value larger than the voltage Vpap / 2 as a condition for preventing the semi-selected memory cell MC from being erroneously selected.
1.3. 本実施形態に係る効果について
第1実施形態によれば、データの誤書込みを抑制することができる。本効果につき、図8を用いて以下に説明する。
1.3. Regarding the effect according to the present embodiment According to the first embodiment, erroneous writing of data can be suppressed. This effect will be described below with reference to FIG.
図8は、比較例に係る磁気記憶装置に書込み動作及び読出し動作と、メモリセルのIV特性との関係を説明するためのダイアグラムである。図8は図7に対応し、ホールド電圧Vh’が極性によらずシフトせずに同じ値である場合を示す。つまり、比較例に係るホールド電圧Vh’は、第1実施形態に係るホールド電圧Vh1より低く、ホールド電圧Vh2より高い。 FIG. 8 is a diagram for explaining the relationship between the writing operation and the reading operation of the magnetic storage device according to the comparative example and the IV characteristics of the memory cell. FIG. 8 corresponds to FIG. 7 and shows a case where the hold voltage Vh'is the same value without shifting regardless of the polarity. That is, the hold voltage Vh'according to the comparative example is lower than the hold voltage Vh1 and higher than the hold voltage Vh2 according to the first embodiment.
図8に示すように、第1極性において、スイッチング素子SELは、電圧V1が閾値電圧Vtを超えると低抵抗状態に切り替わり、以降は電圧降下量Vh’を有する定抵抗とみなされる。これにより、スイッチング素子SELが低抵抗状態に切り替わった直後には、磁気抵抗効果素子MTJに電圧VS_app’=(Vt−Vh’)が印加されると共に、スパイク電流VS_app’/Rapが流れる。ホールド電圧Vh’は、ホールド電圧Vh1より低いため、電圧VS_app’は、電圧VS_appより高い。このため、スパイク電流VS_app’/Rapは、スパイク電流VS_app/Rapよりも大きくなる。また、メモリセルMCからデータを読み出す場合の読出し電流Ir’は、図7において示された読出し電流Irよりも大きい電流VS_app’/Rap程度の大きさとなる。 As shown in FIG. 8, in the first polarity, the switching element SEL switches to a low resistance state when the voltage V1 exceeds the threshold voltage Vt, and thereafter, it is regarded as a constant resistance having a voltage drop amount Vh'. As a result, immediately after the switching element SEL is switched to the low resistance state, the voltage VS_app'= (Vt-Vh') is applied to the magnetoresistive effect element MTJ, and the spike current VS_appp'/ Rap flows. Since the hold voltage Vh'is lower than the hold voltage Vh1, the voltage VS_app' is higher than the voltage VS_appp. Therefore, the spike current VS_app'/ Rap is larger than the spike current VS_appp / Rap. Further, the read current Ir'when reading data from the memory cell MC has a magnitude of about VS_app'/ Rap, which is larger than the read current Ir shown in FIG. 7.
スパイク電流及び読出し電流は、磁気抵抗効果素子MTJのデータを意図せず書き込む可能性があるため、より小さい値に設定されることが望ましい。第1実施形態によれば、スイッチング素子SELは、第1極性におけるホールド電圧Vh1がホールド電圧Vh’よりも高くなるように設定される。これにより、スパイク電流VS_app/Rap及び読出し電流Irを、それぞれスパイク電流VS_app’/Rap及び読み出し電流Ir’よりも小さくすることができ、ひいては、誤書き込みを抑制することができる。 It is desirable that the spike current and the read current are set to smaller values because the data of the magnetoresistive element MTJ may be unintentionally written. According to the first embodiment, the switching element SEL is set so that the hold voltage Vh1 in the first polarity is higher than the hold voltage Vh'. As a result, the spike current VS_app / Rap and the read current Ir can be made smaller than the spike current VS_app'/ Rap and the read current Ir', respectively, and erroneous writing can be suppressed.
再び図8を参照して説明する。第2極性において、スイッチング素子SELは、電圧V2が増加していき、閾値電圧Vtを超えると低抵抗状態に切り替わり、以降は電圧降下量Vh’を有する定抵抗とみなされる。その後、更に電圧V2を増加させると、磁気抵抗効果素子MTJは線Rpに沿って、電流|I|が増加する。そして、電圧V2が電圧Vpapまで増加すると、磁気抵抗効果素子MTJにおける電圧降下量がVmtj_pap(=Vpap’−Vh’)となり、電流|I|が書込み電流Ipapに達する。このため、書込み電流Ipapが流れる際にメモリセルMCに印加される電圧Vpap’は、電圧Vpapよりもホールド電圧Vh’とホールド電圧Vh2との差分だけ高くなる。 This will be described again with reference to FIG. In the second polarity, the switching element SEL is regarded as a constant resistor having a voltage drop amount Vh'after that, when the voltage V2 increases and the threshold voltage Vt is exceeded, the switching element SEL switches to a low resistance state. After that, when the voltage V2 is further increased, the magnetoresistive element MTJ increases the current | I | along the line Rp. Then, when the voltage V2 increases to the voltage Vpap, the amount of voltage drop in the magnetoresistive element MTJ becomes Vmtj_pap (= Vpap'-Vh'), and the current | I | reaches the write current Ipap. Therefore, the voltage Vpap'applied to the memory cell MC when the write current Ipap flows is higher than the voltage Vpap by the difference between the hold voltage Vh'and the hold voltage Vh2.
書込み電圧Vpap及びVappは、その半値が閾値電圧Vtを超えて半選択のメモリセルMCが誤って選択されないために、より低い値に設定されることが望ましい。特に、電圧Vpapは、書込み電流Ipapが書込み電流Iappよりも大きいことに起因して、電圧Vpapよりも高くなる可能性があり、より閾値電圧Vtに対する制約が厳しくなる可能性がある。第1実施形態によれば、スイッチング素子SELは、第2極性におけるホールド電圧Vh2がホールド電圧Vh’よりも低くなるように設定される。これにより、書込み電圧Vpapを書き込み電圧Vpap’よりも低くすることができ、ひいては、半選択のメモリセルMCが誤って選択されることによる誤書き込みを抑制することができる。 It is desirable that the write voltages Vpap and Vapp are set to lower values so that the half value exceeds the threshold voltage Vt and the half-selected memory cell MC is not erroneously selected. In particular, the voltage Vpap may be higher than the voltage Vpap due to the write current Ipap being larger than the write current Ipp, and the constraint on the threshold voltage Vt may become stricter. According to the first embodiment, the switching element SEL is set so that the hold voltage Vh2 in the second polarity is lower than the hold voltage Vh'. As a result, the write voltage Vpap can be made lower than the write voltage Vpap', and by extension, erroneous writing due to erroneous selection of the semi-selected memory cell MC can be suppressed.
2. 変形例等
なお、上述の第1実施形態に限らず、種々の変形が適用可能である。
2. 2. Modifications and the like Not limited to the above-described first embodiment, various modifications can be applied.
上述の第1実施形態で述べたスイッチング素子SELは、閾値電圧Vtが極性を有さない場合について説明したが、これに限られない。すなわち、スイッチング素子SELは、図5において説明した構成を備えることにより、閾値電圧Vtについても極性を与えることが可能である。例えば、閾値電圧Vtをホールド電圧Vhのシフトさせる方向と同じ方向にシフトさせる場合、第2極性における閾値電圧Vtを図7に示した場合よりも低くすることができる。これにより、電圧VS_pap(=Vt−Vh2)をより低くすることができ、第2極性におけるスパイク電流を抑制することができる。また、閾値電圧Vtをホールド電圧Vhのシフトさせる方向とは逆の方向にシフトさせる場合、第1極性における閾値電圧Vtを図7に示した場合よりも高くすることができる。これにより、データ“0”の書込み動作の際に、半選択のメモリセルMCを誤って選択しないための制約(Vapp/2<Vt)を緩和することができる。 The switching element SEL described in the first embodiment described above has described the case where the threshold voltage Vt has no polarity, but the present invention is not limited to this. That is, by providing the configuration described in FIG. 5, the switching element SEL can also give polarity to the threshold voltage Vt. For example, when the threshold voltage Vt is shifted in the same direction as the hold voltage Vh is shifted, the threshold voltage Vt in the second polarity can be made lower than that shown in FIG. 7. As a result, the voltage VS_pap (= Vt-Vh2) can be made lower, and the spike current in the second polarity can be suppressed. Further, when the threshold voltage Vt is shifted in the direction opposite to the shift direction of the hold voltage Vh, the threshold voltage Vt in the first polarity can be made higher than in the case shown in FIG. 7. As a result, the restriction (Vapp / 2 <Vt) for not erroneously selecting the semi-selected memory cell MC during the writing operation of the data “0” can be relaxed.
また、上述の第1実施形態で述べたメモリセルMCは、磁気抵抗効果素子MTJがスイッチング素子SELの下方に設けられる場合について説明したが、磁気抵抗効果素子MTJがスイッチング素子SELの上方に設けられてもよい。 Further, in the memory cell MC described in the first embodiment described above, the case where the magnetoresistive element MTJ is provided below the switching element SEL has been described, but the magnetoresistive element MTJ is provided above the switching element SEL. You may.
また、上述の第1実施形態で述べた磁気抵抗効果素子MTJは、記憶層SLが参照層RLの上方に設けられるトップフリー構造である場合について説明したが、記憶層SLが参照層RLの下方に設けられるボトムフリー構造であってもよい。この場合、書込み電流の方向は、図5に示した場合と反対方向になるが、これに伴い、スイッチング素子SELの極性も逆転させる。つまり、電極材41から電極材43に向かう方向がデータ“0”の書込み電流の方向となるようにすることで、第1実施形態と同等の効果をそうすることができる。 Further, although the magnetoresistive element MTJ described in the first embodiment described above has a top-free structure in which the storage layer SL is provided above the reference layer RL, the storage layer SL is below the reference layer RL. It may have a bottom-free structure provided in. In this case, the direction of the write current is opposite to that shown in FIG. 5, but the polarity of the switching element SEL is also reversed accordingly. That is, by setting the direction from the electrode material 41 toward the electrode material 43 to be the direction of the write current of the data “0”, the same effect as that of the first embodiment can be achieved.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although some embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.
1…磁気記憶装置、10…メモリセルアレイ、11…ロウ選択回路、12…カラム選択回路、13…デコード回路、14…書込み回路、15…読出し回路、16…電圧生成回路、17…入出力回路、18…制御回路、20…半導体基板、21,24,27…導電体、22,23,25,26…素子、31,33,35…強磁性体、32,34…非磁性体、41,43…電極材、42…セレクタ材。 1 ... Magnetic storage device, 10 ... Memory cell array, 11 ... Row selection circuit, 12 ... Column selection circuit, 13 ... Decoding circuit, 14 ... Write circuit, 15 ... Read circuit, 16 ... Voltage generation circuit, 17 ... Input / output circuit, 18 ... control circuit, 20 ... semiconductor substrate, 21,24,27 ... conductor, 22,23,25,26 ... element, 31,33,35 ... ferromagnetic material, 32,34 ... non-magnetic material, 41,43 … Electrode material, 42… Selector material.
Claims (12)
前記磁気抵抗効果素子は、
前記メモリセル内に第1方向に電流を流す第1書込み動作に応じて第1抵抗状態から前記第1抵抗状態より低い第2抵抗状態となり、
前記メモリセル内に前記第1方向と反対の第2方向に電流を流す第2書込み動作に応じて前記第2抵抗状態から前記第1抵抗状態となる
ように構成され、
前記スイッチング素子は、
前記第1方向に対応づけられた第1ホールド電圧を有し、
前記第2方向に対応づけられて前記第1ホールド電圧より低い第2ホールド電圧を有する
磁気記憶装置。 A memory cell including a magnetoresistive element and a switching element connected in series is provided.
The magnetoresistive element is
In response to the first write operation in which a current flows in the memory cell in the first direction, the first resistance state is changed to the second resistance state lower than the first resistance state.
It is configured to change from the second resistance state to the first resistance state in response to a second write operation in which a current flows in the memory cell in a second direction opposite to the first direction.
The switching element is
It has a first hold voltage associated with the first direction.
A magnetic storage device associated with the second direction and having a second hold voltage lower than the first hold voltage.
第1電極材と、
前記第1電極材と異なる物質を含む第2電極材と、
前記第1電極材と前記第2電極材との間のスイッチング材と、
を含む、
請求項1記載の磁気記憶装置。 The switching element is
With the first electrode material
A second electrode material containing a substance different from that of the first electrode material,
A switching material between the first electrode material and the second electrode material,
including,
The magnetic storage device according to claim 1.
請求項1記載の磁気記憶装置。 The absolute value of the first write voltage applied to the memory cell in the first write operation is equal to the absolute value of the second write voltage applied to the memory cell in the second write operation.
The magnetic storage device according to claim 1.
請求項2記載の磁気記憶装置。 The first electrode material and the second electrode material contain at least one substance selected from carbon (C), carbon nitride (CN), tungsten nitride (WN), and titanium nitride (TiN).
The magnetic storage device according to claim 2.
前記第1方向に対応づけられた第1閾値電圧と、
前記第2方向に対応づけられた第2閾値電圧と、
を有する、
請求項1記載の磁気記憶装置。 The switching element is
The first threshold voltage associated with the first direction and
The second threshold voltage associated with the second direction and
Have,
The magnetic storage device according to claim 1.
請求項5記載の磁気記憶装置。 The first threshold voltage and the second threshold voltage are equal,
The magnetic storage device according to claim 5.
請求項5記載の磁気記憶装置。 The first threshold voltage and the second threshold voltage are different from each other.
The magnetic storage device according to claim 5.
前記第2閾値電圧は、前記第2書込み動作において前記メモリセルに印可される第2書込み電圧の半分よりも大きい、
請求項5記載の磁気記憶装置。 The first threshold voltage is larger than half of the first write voltage applied to the memory cell in the first write operation.
The second threshold voltage is larger than half of the second write voltage applied to the memory cell in the second write operation.
The magnetic storage device according to claim 5.
請求項2記載の磁気記憶装置。 The switching material comprises at least one chalcogen element selected from tellurium (Te), selenium (Se), and sulfur (S).
The magnetic storage device according to claim 2.
請求項9記載の磁気記憶装置。 The switching material includes boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In), carbon (C), silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), arsenic (As), and the like. It further comprises at least one element selected from phosphorus (P), antimony (Sb), titanium (Ti), and bismuth (Bi).
The magnetic storage device according to claim 9.
第1強磁性体と、
第2強磁性体と、
前記第1強磁性体と前記第2強磁性体との間の非磁性体と、
を含む、
請求項1記載の磁気記憶装置。 The magnetoresistive element is
The first ferromagnet and
The second ferromagnet and
A non-magnetic material between the first ferromagnet and the second ferromagnet,
including,
The magnetic storage device according to claim 1.
請求項1記載の磁気記憶装置。 The switching element is a two-terminal switching element.
The magnetic storage device according to claim 1.
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